不鏽鋼材料性能知識大彙總（二）

5、關(guān)於硬度的問(wèn)題

a、硬度概念

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標。

b、硬度試驗方法:

劃痕法——表征金屬切斷強度

回跳法——表征金屬彈性變形功

壓入法——表征塑性變形抗力及應變硬化能力

布氏硬度

壓頭：淬火鋼球（HBS），硬質(zhì)合金球（HBW）

載荷：3000Kg 硬質(zhì)合金，500Kg 軟質(zhì)材料

保載時(shí)間：10-15s 黑色金屬，30s 有色金屬

壓痕相似原理

隻用一種標準的載荷和鋼球直徑,不能同時(shí)適應硬的材料或者軟的材料。為保證不同載荷和直徑測量的 硬度值之間可比，壓痕必須滿(mǎn)足幾何相似。

布氏硬度表示方法：600HBW1/30/20

①度值，②符號HBW，③球直徑，④試驗力(1kgf=9.80665N)，⑤試驗力保持時(shí)間

布氏硬度試驗的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：壓頭直徑較大→壓痕麵積較大→硬度值可反映金屬在較大範圍內各組成相的平均性能，不受個(gè)彆組成 相及微小不均勻性的影響。

缺點(diǎn)：對不同材料需更換壓頭直徑和改變試驗力，壓痕測量麻煩，自動(dòng)檢測受到限製；壓痕較大時(shí)不宜在成品上試驗

洛氏硬度

以測量壓痕深度表示材料硬度值。

壓頭有兩種：α＝120°的金剛石圓錐體，一定直徑的淬火鋼球。

洛氏硬度試驗優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便、迅速，硬度可直接讀出；壓痕較小，可在工件上試驗；用不同標尺可測定軟硬不同和厚薄不一的試樣。

缺點(diǎn)：壓痕較小，代表性差；材料若有偏析及組織不均勻等缺陷，測試值重複性差，分散度大；用不同標尺測得的硬度值冇有聯(lián)係，不能直接比較。

維氏硬度

原理與布氏硬度試驗相同，根據單位麵積所承受的試驗力計算硬度值。不同的是維氏硬度的壓頭是兩個(gè)相對麵夾角α為136°的金剛石四棱錐體。

努氏硬度

與維氏硬度的區彆1）壓頭形狀不同；2）硬度值不是試驗力除以壓痕表麵積，而是除以壓痕投影麵積

肖氏硬度

一種動(dòng)載荷試驗法，原理是將一定質(zhì)量的帶有金剛石圓頭或鋼球的重錘，從一定高度落於金屬試樣表麵，根據重錘回跳的高度來(lái)表征金屬硬度值大小，也稱(chēng)回跳硬度。用HS表示。

裡氏硬度

動(dòng)載荷試驗法，用規定質(zhì)量的衝擊體在彈力作用下以一定的速度衝擊試樣表麵，用衝頭的回彈速度表征金屬的硬度值。用HL表示。

6、關(guān)於金屬在衝擊載荷下的力學(xué)性能

a、相關(guān)概念

衝擊韌性：指材料在衝擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，常用標準試樣的衝擊吸收功AK表示。

衝擊測量參數：測量衝擊脆斷後的衝擊吸收功（AkU或AKV），衝擊吸收功並不能真正反映材料的韌脆程度（衝擊吸收功 並非完全用於試樣變形和破壞）

低溫脆性:體心立方或某些密排六方晶體金屬及合金，當試驗溫度低於某一溫度tk或溫度區間時(shí)，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，衝擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫恚瑪嗫谔卣饔衫w維狀變?yōu)榻Y晶狀。tk或溫度區間稱(chēng)為韌脆轉變溫度，又稱(chēng)冷脆轉變溫度。

b、相關(guān)理論

韌脆的評價(jià)方法：材料的缺口衝擊彎曲試驗，材料的衝擊韌性

韌脆的影響因素：溫度（低溫脆性）；應力狀態(tài)（三向拉應力狀態(tài)）；變形速度的影響（衝擊脆斷）

低溫脆性的本質(zhì)：低溫脆性是材料屈服強度隨溫度降低急劇增加的結果。屈服強度σs的隨溫度降低而升高，而斷裂強度σc隨溫度變化很小。

t>tk ,σc>σs ,先屈服再斷裂；t<tk ,σc<σs ,脆性斷裂

韌脆轉變溫度是金屬材料的韌性指標，它反映了溫度對韌脆性的影響。

影響韌脆轉變溫度的冶金因素：

晶體結構：體心立方金屬及其合金存在低溫脆性。普通中、低強度鋼的基體是體心立方點(diǎn)陣的鐵素體，故這類(lèi)鋼 有明顯的低溫脆性。

化學(xué)成分：間隙溶質(zhì)元素溶入鐵素體基體中，偏聚於 位錯線(xiàn)附近，阻礙位 錯運動(dòng)，致σs升高， 鋼的韌脆轉變溫度提高。

顯微組織：晶粒大小，細化晶粒使材料韌性增加；減小亞晶和胞狀結構尺寸也能提高韌性。

細化晶粒提高韌性的原因：晶界是裂紋擴展的阻力；晶界前塞積的位錯數減少，有利於降低應力集中；晶界總麵積 增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。

7、關(guān)於金屬疲勞的問(wèn)題

a、金屬疲勞現象

疲勞：金屬機件在變動(dòng)應力和應變長(cháng)期作用下，由於積累損傷而引起的斷裂現象。

疲勞的破壞過(guò)程是材料內部薄弱區域的組織在變動(dòng)應力作用下，逐漸發(fā)生變化和損傷累積、開(kāi)裂，當裂紋擴展達到一定程度後發(fā)生突然斷裂的過(guò)程，是一個(gè)從局部區域開(kāi)始的損傷累積，*終引起整體破壞的過(guò)程。

循環(huán)應力的波形：正弦波、矩形波和三角波等。

表征應力循環(huán)特征的參量有：

*大循環(huán)應力σmax，*小循環(huán)應力σmin；平均應力:σm=(σmax+σmin)/2；應力幅或應力範圍:σa=(σmax-σmin)/2；應力比:r=σmin/σmax

疲勞按應力狀態(tài)分：彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞及複合疲勞；

疲勞按環(huán)境和接觸情況分：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞及接觸疲勞等。

疲勞按應力高低和斷裂壽命分：高周疲勞和低周疲勞。

b、金屬疲勞特點(diǎn)

疲勞的特點(diǎn)：該破壞是一種潛藏的突發(fā)性破壞，在靜載下顯示韌性或脆性破壞的材料在疲勞破壞前均不會(huì )發(fā)生明顯的塑性變形，呈脆性斷裂。

疲勞對缺口、裂紋及組織等缺陷十分敏感，即對缺陷具有高度的選擇性。因為缺口或裂紋會(huì )引起應力集中，加大對材料的損傷作用；組織缺陷(夾雜、疏鬆、白點(diǎn)、脫碳等)，將降低材料的局部強度，二者綜合更加速疲勞破壞的起始與發(fā)展。

c、金屬疲勞宏觀(guān)斷口

疲勞宏觀(guān)斷口的特征：疲勞斷裂經(jīng)曆了裂紋萌生和擴展過(guò)程。由於應力水平較低，因此具有較明顯的裂紋萌生和穩態(tài)擴展階段，相應的斷口上也顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴展區與瞬時(shí)斷裂區的特征。

疲勞源：是疲勞裂紋萌生的策源地。

位置：多出現在機件表麵，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。但若材料內部存在嚴重冶金缺陷(夾雜、縮孔、伯析、白點(diǎn)等)，也會(huì )因局部材料強度降低而在機件內部引發(fā)出疲勞源。

特點(diǎn)：因疲勞源區裂紋表麵受反複擠壓，摩擦次數多，疲勞源區比較光亮，而且因加工硬化，該區表麵硬度會(huì )有所提高。

數量：機件疲勞破壞的疲勞源可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)，它與機件的應力狀態(tài)及過(guò)載程度有關(guān)。如單向彎曲疲勞僅產(chǎn)生一個(gè)源區，雙向反複彎曲可出現兩個(gè)疲勞源。過(guò)載程度愈高，名義應力越大，出現疲勞源的數目就越多。

產(chǎn)生順序：若斷口中同時(shí)存在幾個(gè)疲勞源，可根據每個(gè)疲勞區大小、源區的光亮程度確定各疲勞源產(chǎn)生的先後，源區越光亮，相連的疲勞區越大，就越先產(chǎn)生；反之，產(chǎn)生的就晚。

疲勞區是疲勞裂紋亞穩擴展形成的區域。

宏觀(guān)特征：斷口較光滑並分布有貝紋線(xiàn)(或海灘花樣)，有時(shí)還有裂紋擴展臺階。

斷口光滑是疲勞源區的延續，其程度隨裂紋向前擴展逐漸減弱，反映裂紋擴展快饅、擠壓摩擦程度上的差異。

貝紋線(xiàn)——疲勞區的*典型特征：產(chǎn)生原因:一般認為是因載荷變動(dòng)引起的，因為機器運轉時(shí)常有啟動(dòng)、停歇、偶然過(guò)載等，均要在裂紋擴展前沿線(xiàn)留下弧狀貝紋線(xiàn)痕跡。

形貌特點(diǎn)：疲勞區的每組貝紋線(xiàn)好像一簇以疲勞源為圓心的平行弧線(xiàn)，凹側指向疲勞源，凸側指向裂紋擴展方向。近疲勞源區貝紋線(xiàn)較細密，表明裂紋擴展較慢；遠離疲勞源區貝紋線(xiàn)較稀疏、粗糙，表明此段裂紋擴展較快。

影響因素:貝紋區的總範圍與過(guò)載程度及材料的性質(zhì)有關(guān)。若機件名義應力較高或材料韌性較差，則疲勞區範圍較小，貝紋線(xiàn)不明顯；反之，低名義應力或高韌性材科，疲勞區範圍較大，貝紋線(xiàn)粗且明顯。貝紋線(xiàn)的形狀則由裂紋前沿線(xiàn)各點(diǎn)的擴展速度、載荷類(lèi)型、過(guò)載程度及應力集中等決定。

瞬斷區是裂紋失穩擴展形成的區域。在疲勞亞臨界擴展階段，隨應力循環(huán)增加，裂紋不斷增長(cháng)，當增加到臨界尺寸ac時(shí)，裂紋**的應力場(chǎng)強度因子KI達到材料斷裂韌性KIc(Kc)時(shí)。裂紋就失穩快速擴展，導致機件瞬時(shí)斷裂。

瞬斷區的斷口比疲勞區粗糙，宏觀(guān)特征如同靜載，隨材料性質(zhì)而變。

脆性材料斷口呈結晶狀；

韌性材料斷口，在心部平麵應變區呈放射狀或人字紋狀，邊緣平麵應力區則有剪切唇區存在。

位置：瞬斷區一般應在疲勞源對側。但對旋轉彎曲來(lái)說(shuō)，低名義應力時(shí)，瞬斷區位置逆旋轉方向偏轉一角度；高名義應力時(shí)，多個(gè)疲勞源同時(shí)從表麵向內擴展，使瞬斷區移向中心位置。

大小：瞬斷區大小與機件承受名義應力及材料性質(zhì)有關(guān)，高名義應力或低韌性材科，瞬斷區大；反之。瞬斷區則小。

d、疲勞曲線(xiàn)及基本疲勞力學(xué)性能

疲勞曲線(xiàn)：疲勞應力與疲勞壽命的關(guān)係曲線(xiàn)，即S－N曲線(xiàn)。

用途：它是確定疲勞極限、建立疲勞應力判據的基礎。

有水平段（碳鋼、合金結構鋼、球鐵等）：經(jīng)過(guò)無(wú)限次應力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，將對應的應力稱(chēng)為疲勞極限，記為σ-1（對稱(chēng)循環(huán)）

無(wú)水平段（鋁合金、不鏽鋼、高強度鋼等）：隻是隨應力降低，循環(huán)周次不斷增大。此時(shí)，根據材料的使用要求規定某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的應力作為條件疲勞極限。

疲勞曲線(xiàn)的測定——升降法測定疲勞極限

d、疲勞過(guò)程及機理

疲勞過(guò)程：裂紋萌生、亞穩擴展、失穩擴展三個(gè)過(guò)程。

疲勞壽命Nf＝萌生期N0＋亞穩擴展期Np

金屬材料的疲勞過(guò)程也是裂紋萌生相擴展的過(guò)程。

裂紋萌生往往在材料薄弱區或高應力區，通過(guò)不均勻滑移、微裂紋形成及長(cháng)大而完成。

疲勞微裂紋常由不均勻滑移和顯微開(kāi)裂引起。主要方式有：表麵滑移帶開(kāi)裂；**相、夾雜物與基體界麵或夾雜物本身開(kāi)裂；晶界或亞晶界處開(kāi)裂。

e、如何提高疲勞強度 

如何提高疲勞強度——滑移帶開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋角度

從滑移開(kāi)裂產(chǎn)生疲勞裂紋形成機理看，隻要能提高材料滑移抗力（固溶強化、細晶強化等），均可阻止疲勞裂紋萌生，提高疲勞強度。

如何提高疲勞強度——相界麵開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋角度

從**相或夾雜物可引發(fā)疲勞裂紋的機理來(lái)看，隻要能降低**相或夾雜物脆性，提高相界麵強度，控製**相或夾雜物的數量、形態(tài)、大小和分布、使之“少、圓、小、勻”，均可抑製或延緩疲勞裂紋在**相或夾雜物附近萌生，提高疲勞強度。

如何提高疲勞強度——晶界開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋

從晶界萌生裂紋來(lái)看，凡使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔點(diǎn)夾雜物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氫及晶粒粗化等，均易產(chǎn)生晶界裂紋、降低疲勞強度；反之，凡使晶界強化、淨化和細化晶粒的因素，均能抑製晶界裂紋形成，提高疲勞強度。

f、影響疲勞強度的主要因素

表麵狀態(tài)的影響：應力集中——機件表麵缺口因應力集中往往是疲勞策源地，引起疲勞斷裂，可用Kf與qf表征缺口應力集中對材料疲勞強度的影響。Kf與qf越大，材料的疲勞強度就降得越低。且這種影響隨材料強度的增高，更加顯著(zhù)。

表麵粗糙度——表麵粗糙度越低，材料的疲勞極限越高；表麵粗糙度越高，疲勞極限越低。材料強度越高，表麵粗糙度對疲勞極限的影響越顯著(zhù)。

殘餘應力及表麵強化的影響：殘餘壓應力提高疲勞強度；殘餘拉應力降低疲勞強度。殘餘壓應力的影響與外加應力的應力狀態(tài)有關(guān)，不同應力狀態(tài)，機件表麵層的應力梯度不同。彎曲疲勞時(shí),效果比扭轉疲勞大；拉壓疲勞時(shí)，影響較小。殘餘壓應力顯著(zhù)提高有缺口機件的疲勞強度，殘餘應力可在缺口處集中，能有效地降低缺口根部的拉應力峰值。殘餘壓應力的大小、深度、分布以及是否發(fā)生鬆弛都會(huì )影響疲勞強度。

表麵強化的影響——表麵強化可在機件表麵產(chǎn)生殘餘壓應力，同時(shí)提高強度和硬度。兩方麵的作用都會(huì )提高疲勞強度。（方法：噴丸、滾壓、表麵淬火、表麵化學(xué)熱處理）硬度由高到低的順序：滲氮→滲碳→感應加熱淬火；強化層深度由高到低順序：表麵淬火→滲碳→滲氮。

材料成分及組織的影響：疲勞強度是對材料組織結構敏感的力學(xué)性能。合金成分、顯微組織、非金屬夾雜物及冶金缺陷

g、低周疲勞

低周疲勞：金屬在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為102～105次的疲勞斷裂。

循環(huán)硬化和循環(huán)軟化現象與位錯循環(huán)運動(dòng)有關(guān)。

在一些退火軟金屬中，在恒應變幅的循環(huán)載荷下，由於位錯往複運動(dòng)和交互作用，產(chǎn)生了阻礙位錯繼續運動(dòng)的阻力，從而產(chǎn)生循環(huán)硬化。

在冷加工後的金屬中，充滿(mǎn)位錯纏結和障礙，這些障礙在循環(huán)加載中被破壞；或在一些沉澱強化不穩定的合金中。由於沉澱結構在循環(huán)加載中校破壞均可導致循環(huán)軟化。

熱疲勞：機件在由溫度循環(huán)變化時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)熱應力及熱應變作用下發(fā)生的疲勞。

熱機械疲勞：溫度循環(huán)和機械應力循環(huán)疊加所引起的疲勞。

產(chǎn)生熱應力的兩個(gè)條件：①溫度變化②機械約束

衝擊疲勞：衝擊次數N>105次時(shí)，破壞後具有典型的疲勞斷口，即為衝擊疲勞。